Stetoscopio elettronico

Creare uno stetoscopio elettronico giocoattolo pensando al modo di trasformarlo in professionale con piccole semplici modifiche costruttive. Dato fondamentale è l’assorbimento inferiore a 4uA in standby e la semplicità d’uso.

Dopo che mio nipote (4 anni) ha visto la madre visitata dal dottore per un banale mal di gola è rimasto entusiasta dallo stetoscopio. Dopo qualche tentativo dei genitori con stetoscopi giocattolo e non volendone comperare uno vero mi hanno chiesto se potevo fare qualcosa io. Dopo avergli risposto che non faccio il mago ho acconsentito a due condizioni, entrambe volte alla sicurezza del bimbo.

1. Usare cuffiette rimuovibili al posto dei classici auricolari per evitare che si danneggiasse i timpani a causa di manovre errate.
2. Le dimensioni del contenitore devono essere tali che non possa essere inghiottito.

   A queste condizioni, tra l’altro dettate dal buon senso, ho iniziato lo studio per la progettazione.

   Eliminata l’idea di pile mini stilo perché facilmente raggiungibili dal bimbo opto per una pila a bottone CR2032 direttamente montata sul piccolo stampato.

   Questa soluzione mi costringe a ragionare su circuiti che non assorbano assolutamente corrente inutile per due motivi, uno è che non possono cambiare batterie in continuazione e l’altro è che molto spesso sarà dimenticato acceso.

   Dopo qualche ricerca decido per gli operazionali MCP6042 con corrente a riposo di 600nA ad operazionale ed un prodotto banda passante per amplificazione di 14KHz, effettivamente non è molto ma, se si desidera bassa corrente assorbita e uscita rail to rail di economico non si trova poi molto.

   Ragionando sul bandwidth comincio a fare subito il calcolo inverso, ammettendo una frequenza di 180 battiti al minuto avrei una frequenza di 3Hz, anche usando una banda di 300Hz avrei una amplificazione più che sufficiente per ogni singolo stadio.

Questo semplice circuito permette di ascoltare il battito cardiaco. Il trasduttore utilizzato per rilevare l’impulso è un microfono elettrete. Il modello utilizzato è dotato di due terminali (polarizzati). Come al solito con questo tipo di microfono, funziona tramite una resistenza in serie, R4. La caduta di potenziale attraverso questa resistenza viene applicato op amp tramite C7.

Il primo operazionale ha molte funzioni:

La presenza di C1 rende l’amplificazione unitaria per le basse frequenze, il suo valore è scelto in maniera da non limitare in alcun modo la banda passante verso il basso.

C7 insieme ad R8 formano un passa-alto con taglio inferiore di 1Hz (60 battiti al minuto), la pendenza di tale filtro è poco marcata e perciò passano tranquillamente anche frequenze più basse con una attenuazione minima.

C6 ed R1 formano un passa-basso con frequenza di 330Hz ed anche per questo vale il discorso che passano comunque frequenze più alte con un minimo di attenuazione, anche se poi lo stesso operazionale di suo diminuisce la sua amplificazione otre detto limite.

R1 ed R6 fissano la pre amplificazione dello stadio a 46

La banda passante di tale stadio prima che la amplificazione impostata si riduca è 14,000/46=300Hz ben al di sopra dei limiti dei segnali entranti, questa ampia escursione in uscita serve a rilevare patologie chiamate “soffi”, certamente non servono ad un bambino ma, con una accurata realizzazione per attenuare al massimo i rumori da strofinamento può essere modificato per una realizzazione professionale.

Il secondo operazionale ha funzioni di amplificatore regolabile:

le resistenze R5 e R7 insieme a P1 determinano la amplificazione che può andare da 0,97 a 45 con una amplificazione totale della catena che può andare da 0,97×46=44 a 45×46=2070 (66dB di amplificazione sono più che sufficienti in ogni caso)

Anche questo secondo stadio ha banda passante di (14000/45=311Hz), la somma di più limitazioni in cascata permette di avere una grande pendenza senza uso di circuiti complessi.

Il terzo operazionale in basso crea la massa virtuale:

R2 e R3 di identico valore dividono in due la tensione di alimentazione mentre il condensatore C2 fa in modo, con la sua inerzia, che tale valore non venga interessato da bruschi cambiamenti dovuti al segnale presente nel carico, le due resistenze sono di valore elevato per avere un assorbimento fisso di 1,5uA, scendere ulteriormente sarebbe stato controproducente perché poi le correnti di perdita del condensatore e la resistenza di ingresso dell’operazionale avrebbero compromesso la stabilità del riferimento.

L’operazionale in questine viene polarizzato in configurazione buffer, troveremo alla sua uscita la stessa tensione presente all’ingresso ma amplificata in corrente.

Il quarto operazionale crea un amplificatore push-pull:

Per bassi segnali lavora in classe a alimentando le cuffie tramite la resistenza R10, come la potenza aumenta la caduta di potenziale su quest’ultima supera la soglia di conduzione dei transistor che si incaricano di fornire la potenza necessaria per alimentare le cuffie in uscita.

Tale sistema è servito anche per azzerare gli assorbimenti a riposo dello stadio in quanto i transistor in assenza di segnale sono interdetti.

Perciò fino a che nelle cuffiette scorre una corrente inferiore a 3mA i due transistor non intervengono e lavora in classe A oltre quella soglia lavora in classe B.

Qualcuno potrebbe obbiettare che non è la configurazione più indicata per un amplificatore audio ma, va considerato il fatto che l’operazionale che gestisce i due transistor è in configurazione buffer e pertanto varierà la sua uscita di pilotaggio per fare in modo che l’uscita dei transistor, riportata in ingresso da R9, dia una tensione identica a quella di ingresso riducendo a valori trascurabili le distorsioni.

Il condensatore C8 ha il solo scopo di annullare eventuali autooscillazioni dello stadio.

Costruzione e taratura:

Avendo a portata di mano una scatolina rettangolare delle dimensioni all’incirca 6cm x 3cm ho sviluppato uno stampato che ci entrasse comodamente, di seguito alcune immagini del progetto, da notare che la batteria è poco più piccola del contenitore. Tale contenitore ha chiusura ad incastro e serve una certa forza per riaprirlo, il che è ottimo per la sicurezza del bimbo.

I più attenti avranno notato la presenza di un integrato a 6 pin nello stampato non presente nell’elenco componenti, ebbene non è un integrato è l’unica cosa che ho trovato al volo che avesse la stessa impronta del pulsante di accensione.

Per il bambino ci sarà una scatola che dovrà appoggiare sul cuore e con gli auricolari dati dalle cuffiette ascolterà il battito del cuore, costruttivamente abbastanza simile ad uno stetoscopio reale.

Spero solo che il bambino rimarrà felice quando babbo natale gli consegnerà questo stetoscopio oggetto dei suoi desideri.